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          鋼螺柱焊接頭組織及性能

          2018-11-14 17:18:00
          陸啟蒙
          原創(chuàng )
          7147
          摘要:采用包覆 釬料感 應加熱 方法 ,以 AlSi 釬料 作為焊縫 填充金屬 ,對 Q235 鋼螺柱和 6061 鋁合金 進(jìn)行釬焊 .利用光學(xué)顯微鏡、掃描 電鏡、能譜分析等 表征方法 ,對接頭的組織 、成分和相 組成等進(jìn)行了分析 .結果表明,AlSi 釬料與鋁 母 材反應充分,Si 元素 擴散至鋁母材形 成針葉狀 的共晶組織 ,焊縫 近鋼 側生成 一條狹窄連續 的 Fe-Al 金屬 間 化合物,并沿垂直于鋁基 體的方 向生成出胞狀晶,金屬 間化合物層由 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合相組織組 成.力學(xué) 性能 測試表明,接頭的 抗剪強度最大為 65 MPa,近鋼 側金屬 間化合物的顯微硬度值較高,接頭 斷裂 在金屬 間化合物區 域,屬于 延性斷裂

          近年來(lái) ,異種金屬 之間連接的 應用 越來(lái)越 廣泛 .單一金屬 本身不可能 滿(mǎn)足應用 所需 的所 有物 理、化學(xué)和力學(xué) 方面的性能 ,而異種金屬接頭 可以滿(mǎn) 足需求 , 另外 還可以節省費 用 , 節約 能源. 

          異種金屬的

          組合螺柱焊問(wèn)題,對于鋁 和鋼 組合 使 用表現 得 尤為明顯 .但由于鋁與 鋼兩 者之 間熱物 理性能 差 異大、鐵在鋁中的固溶度幾乎 為零,鐵 在 共晶溫度 下的極限溶解度為 0.052% ,并 隨著(zhù) 溫度的 下降 而急劇減小且 鐵與鋁 可以 產(chǎn)生 多 種硬 而 脆 的金屬 間化 合物,如 FeAl,FeA1 2 ,FeA1 3 ,Fe 2 A1 5 ,Fe 2 A1 7 及 Fe 4 All3等,這些金屬間化合物的存在,增加了焊接接頭的 脆性,降低了其塑性和韌性,嚴重惡化了接頭的力學(xué)性能,這已成為鋁鋼螺柱焊接的難點(diǎn)問(wèn)題

          由于電弧焊的 熱輸入非常高,鋼與鋁 都很 容易熔化,很難控制熔合 區金屬 間化 合物層 的成分,導致脆性金屬間化合物層 的嚴重 長(cháng)大,所以 難 以 采用電弧焊的方法焊接 鋼和鋁。

          釬焊 作為一種 非 熔化焊的焊接方法 ,利用釬料在低于母材固相線(xiàn)但高于釬料 液相線(xiàn)的溫度 下發(fā)生熔化,能夠在鋁鋼母材表面潤濕 、鋪展、填縫,與母材發(fā)生相互溶 解擴散,并能在 一定程 度上抑 制Fe-Al金屬 間化合物的生 成,能基 本滿(mǎn)足對鋁 鋼 焊縫的 要.文中采 用 感應 加熱 釬焊的方法焊接 鋼 螺柱與鋁 板 , 進(jìn)一步研究 焊接接頭的組織性能。

          1 試驗 條件

          試驗 選 用 6061 鋁 板 ( 80 mm ×80 mm ×12mm) , 鋼 螺 柱 母 材 選 用 Q235 棒 材 , 尺 寸 為 長(cháng) 55mm,底面 直徑 16 mm. 熔 敷金屬 采用 了 自制的 AlSi箔帶,焊接過(guò) 程采用自 制鋁 -鋼熔敷焊保護劑,并設計了箔帶包裹保 護劑 預裝 模 式,進(jìn) 行熔 敷填 充.各試驗 材料 具體成分及 力學(xué) 性能 見(jiàn)表 1.鋁 板 采用丙酮除油處理后,用 NaOH 溶液去 除表面氧化膜,鋼螺柱采 用丙酮 作除 油處理.

          2 試驗方法

          將 AlSi 箔帶與自制鋁 -鋼熔敷 焊保護 劑進(jìn) 行包覆 , 制 成外層為箔帶 , 里層為 鋁 - 鋼 熔 敷焊保護 劑的藥芯焊絲 包覆 釬料 ; 包 敷釬料 采用 纏繞 的方式 預置在螺柱 周邊.

          感應器的 結構 設計 如 圖 1 所示,感應線(xiàn)圈的外徑為 80 mm,內徑 為 40 mm,線(xiàn)圈厚 度為 15 mm,調節離 鋁板表面的高度 為 2 mm. 試驗 中使 用的焊接工藝 參數為 感應器電流 900 A,加熱 時(shí)間 150 s.

          制備金相試 樣,使用 OLYMPUSBX60M金相顯 微鏡進(jìn)行接頭 內部 組織的觀(guān) 察,Hitachi X-650 掃描 電子顯微鏡進(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān) 察和元素分析 ,HVS-1000Z 顯微硬度計對焊接 試樣進(jìn)行顯微維氏硬度測試.

          3 試驗結果與分析

          3.1 焊縫組織 和成分分析

          為 Al-Si 釬料鋁 -鋼螺柱 釬焊 試樣的宏觀(guān)形貌.可以看出 焊縫 成形 良好 ,焊接過(guò) 程中 釬料 全部熔化,鋪展情況 較好,由于釬料熔 化后繼續加熱 了一段時(shí)間 ,保證了釬料 在鋁鋼母材之間的充分滲透.將 試樣沿螺柱 直 徑方向線(xiàn)切 割,得到 鋼螺柱 與鋁板接頭的 剖面.圖 3 為 釬焊接頭的金 相組織 .上側為鋼 母材 , 下側 為鋁基 體 , 接頭 連 接較為 致密 , 釬縫組織 由 Fe-Al 金屬 間 化 合 物、Al- Si 共 晶 相、α-Al固溶體 三個(gè)區域 組成 .由圖 3 中可 以看出 ,鋼 側形成一條比較平的直線(xiàn),而 AlSi 釬料與鋁 母 材反應充分,釬料 中的鋁與鋁 母材混合形 成鋁基 體; 在釬料溫度達到 固相線(xiàn)開(kāi) 始熔化后,與鋁 母材接 觸,硅向鋁母材中擴散 ,形成針葉狀 的 Al-Si 共晶組織 ,此 時(shí)的鋼螺柱并 未熔化 , 鐵還處于固態(tài) , 所以 一旦富鋁的 液相組織形 成,Fe 元素便快 速地 擴散熔 入液 相并 與之發(fā)生反應,形成熔點(diǎn)較高的 Fe-Al 金屬 間化合物,從而液相會(huì )消失; 由于鋁 冷卻 速度 較快,金屬 間化合物沿垂直于鋁基 體的方 向生成出一些胞狀晶。

          為金屬 間化合 物區 域放大的 EDS形貌.能譜分析 表明圖 4 中譜圖 1 所在淺灰 色區 域為連續 的Fe-Al 金 屬 間 化 合 物 帶,其 中 Al 元 素 含 量 為70. 99% ( 原 子 分 數,下 同 ) ,Fe 元 素 含 量 為15. 72% ,Si 元素含量為 13.29% ; 在 譜圖 2 區 域 Al元素含量為 97.50% ,Fe 元素含量為 0.74% ,Si 元素含量為 1.77% .結 合 Al- Fe 二 元 相圖 ,可以 推斷譜圖 1 區組織 為 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合 相組織 ,同時(shí)還有少量 α-Al 組織 ; 譜 圖 2 區 為 Al-Si 共 晶組織 和少量 FeAl 3 的混合 相組織 .金屬 間 化合 物 厚度 大致為 10 μm,由圖 3 中可 以看出 ,金屬 間化合 物厚度占整個(gè) 釬焊對接接頭 厚度的15% ~20%。

          為釬焊縫的 線(xiàn)掃描 結果,從鐵基體到 Fe-Al 化合物區 域,Fe 元 素的含量 逐漸減 少到 最低 ,之后 Fe元素出現 細 微地增加,這是 Fe 原子 向 鋁的 液相組織熔 融和擴散的 結果,而 Al 元素在 金屬 化合物區間 富集,靠近 鐵基體界面 處迅速減少,只有極少 量擴散 至鐵基體當 中,這是由于 Fe原子是在液相鋁中擴散 ,而 Al 原子 是向固體 鐵 中擴散的 原故 ,同時(shí) Si元素含量在近 鐵基體方向有略 微增加.熔融和 擴散到液相 鋁 中 的 Fe 元 素 與鋁 生 成 連續 的 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金屬 間化合物.

          3.2 力學(xué)性能 測試 分析

          固定焊接 試樣的鋁 板,沿平行于鋁 板的方 向,在螺柱 根部進(jìn)行 剪切,測試 其抗 剪 強 度.試驗 過(guò) 程中感應器電流 調 至 900 A,采用不 同的焊接 時(shí)間 得 到不同抗剪強度 .焊接 150 s 時(shí) 釬料 在 母材之間 滲透擴散 較好,抗剪強度最高為 65 MPa,達到 6061 母材抗剪強度的 76.5% ; 當 焊接 時(shí)間 過(guò) 低 時(shí),釬料 還 未完全 滲透就停止加熱 ,導致釬料與 母材結合不牢固;焊接 時(shí)間 過(guò)長(cháng)時(shí),會(huì )導致熔融釬料 從釬縫流 走,還可能產(chǎn)生熔蝕現象,使得鋁板表面留下麻面或凹坑,這些都 會(huì )造成焊接接頭 強 度的 下降 .試驗 結果 見(jiàn) 表 2( 表 2 中抗剪強度為 多個(gè) 試樣測試結 果的平均值) .

          給出的是焊縫 顯 微 硬度曲線(xiàn) , 在焊縫接頭區域及兩邊的母材,沿同 一條直 線(xiàn)每 隔 0.02 mm 取一點(diǎn)進(jìn)行顯微 硬度 測試.從 圖 6 中可 以 看出 ,焊縫兩側 母材的 硬度值分 布較 為 均勻 ,鋼 側平均硬 度為131.9 HV,鋁側平均 硬 度為 47.9 HV. 焊縫 近鋼 側區的顯微硬度最高為 445.6 HV ,向鋁側方向焊縫 區域的硬度呈明顯 的降低 趨勢.這 是由于焊接過(guò) 程中鐵融入液 態(tài)的釬料 ,即鋁硅 共晶相中 與之 發(fā) 生反應生成 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ,這兩種金屬 間化合物都是脆性大硬度高 .隨著(zhù) Fe 元素含量 向鋁 母材方 向上 的降低 , 生成的金屬 間化合物 逐漸減 少 , 硬度 逐漸 降低 ;在焊接接頭 近 鋁側 區 域成 分 為 Al-Si 共 晶組織 ,金相呈細長(cháng)的針葉狀 ,硬度比鋁 母材稍高。

          3.3 斷口分 析

          為斷口 的 EDS的分析形 貌,其中 方框 1 中成分 F 元素含量為 60.64% ( 原子 分數,下 同) ,K 元素含量為 13.19% ,Al 元素含量為 22.44% ,Si 元素含量為 0.75% ,Fe 元素含量為 0.59% .在鋼 螺柱 的斷面上留有白色 島 狀物質(zhì) ,主要 是釬 劑 遺 留下 的 F元素 和 K 元 素 ; 方 框 2 中 成 分 Al 元 素 含 量 為54. 44% ,Fe 元 素 含 量 為 40.89% ,Si 元 素 含 量 為4. 48% ,Mn 元 素含量為 0.18% .結合 Fe-Al 二 元相圖,可 判斷方框 1 中還 含有少 量的 FeAl 3 ,方框 2 處為 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金屬 間化合物。

          為不同放大倍數的斷口 形貌,其中圖 8a 可以看到斷口 表面比 較 復雜,仍 有少 量 的白色 島 狀物質(zhì)殘留,為釬焊 結束 后 殘余 的 保護 劑; 圖 8b 可 以看到大 量形貌為纖維狀 的長(cháng)條 組織 ,并 且出 現少 量不同高度的 臺階.結 合斷口 的 成 分可 以判 斷,這 種斷裂屬于 延性斷裂 ,纖維 狀長(cháng)條 組織 為 平行于斷口 方向的剪切力與垂直于斷面的 拉伸力產(chǎn)生的拉拔作用所致,斷裂 面發(fā)生在 金屬 間化合物區 域.

          4 結 論

          ( 1) 采用 AlSi 釬料 ,以 感應加熱 釬焊方法焊接Q235 鋼 螺柱和 6061 鋁合金 ,能 夠 得到 良好 的焊接接頭 ,接頭組織 由金屬 間化 合物 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 、Al-Si 共晶 相 、 α -Al 固 溶體三個(gè)區域 組成 . 金屬 間 化合物厚度為 10 μm 左右 .

          ( 2) 剪切試驗 表 明,焊縫接頭 在 金屬 間化 合物區間 斷裂 ,斷裂 性 質(zhì) 為延 性 斷裂 ,最 大 抗 剪 強度 為65 MPa,達到 6061 母材抗剪強 度的 76.5% .

          ( 3) 焊縫接頭金屬 間化合物區 域顯微硬度最大為 445.6 HV ,近鋁側區域呈 細 長(cháng)的針葉狀 Al-Si 共晶組織 ,硬度比鋁 母材稍高.

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